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Tidal observation

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Introduction

Pour observer la marée, la hauteur du niveau de la mer est mesurée en fonction du temps par rapport à un niveau de référence. Ce niveau est généralement le zéro hydrographique également appelé "zéro des cartes marines".

Pourquoi observe-t-on la marée ?

Observation du niveau de la mer.

L'observation de la marée, pour les besoins et la sécurité de la navigation, est une activité traditionnelle des services hydrographiques de tous les pays. En France, c'est une des missions du Service hydrographique et océanographique de la marine et un domaine de coopération nationale et internationale constant.

Les raisons d'observer les variations des hauteurs d'eau sont bien plus nombreuses qu'il n'y paraît au premier abord.

Ces observations permettent en premier lieu d'étudier la marée comme phénomène physique et de déterminer les composantes harmoniques constituant la marée en un lieu. Ces dernières seront utilisées pour la détermination des hauteurs d'eau prédites éditées dans les annuaires ou calculées par des logiciels de prédiction. La différence entre la hauteur observée et la prédiction correspond à la partie non prédictible, souvant due à la météo (vent, pression atmosphérique,...), que l'on nomme "surcote" si le niveau d'eau est au dessus des prédictions ou "décote" si le niveau d'eau est en dessous.

L'observation de la marée permet aussi, pour les besoins de l'hydrographie, de corriger les profondeurs mesurées in situ et de les rapporter à un niveau de référence appelé zéro hydrographique ou zéro des cartes marines. La partie variable correspondant à la marée doit être retirée des mesures du sondeur afin qu'elle n'apparaisse pas sur la carte marine mais puisse être ajouter à posteriori par le navigateur grâce à l'annuaire de marée.

Les observations de marée sont indispensables à la détermination des références altimétriques maritimes. En France, le zéro hydrographique est défini voisin du niveau des plus basses mers astronomiques. Ainsi la sonde portée sur la carte marine indique la hauteur d'eau dont le navigateur disposerait à la marée basse de vive eau extrême par coefficient 120. Le navigateur y ajoute alors la marée prédite (toujours positive!) pour se rapprocher de la hauteur réelle à n'importe quelle heure de la marée. 

Grâce à l'altimétrie satellitale, on détermine de plus en plus finement la forme de la Terre et la surface moyenne de l'océan, mais les capteurs embarqués sont soumis à une dérive non négligeable et, de fait, l'exploitation et la calibration de ces mesures nécessite l'observation du niveau de la mer par les marégraphes en certains points de passage des satellites.

Aujourd'hui, les autorités portuaires et les aménageurs du littoral veulent avant toute construction le long des côtes, connaître son impact sur l'environnement littoral, et connaître les risques pour la construction elle-même. L'évolution des sites (risques d'envasement) peut être prévue à l'aide de modèles physiques ou numériques. La marée et les courants sont des paramètres indispensables à l'élaboration de ces modèles pour que les résultats approchent au plus près la réalité.

A partir de l'observation, il est possible de déterminer les périodes de retour et les probabilités d'observation de ces surcotes exceptionnelles et pouvant être dévastatrices (Xynthia, 2010). Ces études basées sur des statistiques passent là encore par des observations de longue durée des hauteurs d'eau le long de la côte. Ces données statistiques permettent de dimensionner les ouvrages en conséquence ; elles permettent aussi de déterminer la cote des plus hautes mers et indirectement la limite des domaines terrestre et maritime

 

L'élévation du niveau moyen de la mer n'a pu être observée que parce que l'on dispose de longues séries temporelles de hauteurs d'eau en des lieux répartis uniformément dans le monde. A noter que la France dispose de la plus longue série d'observations dans le monde, effectuée à Brest depuis 1806. Ces longues séries sont précieuses pour l'étude de l'évolution des conditions océano-climatiques et la définition du plan national d'adaptation au changement climatique mis en place par les autorités. Dans ce cadre, le SHOM participe au projet SONEL en partenariat avec l'IGN, le LEGOS et le LIENSs La Rochelle.

Enfin, un réseau de mesure de hauteurs d'eau transmettant ces mesures en temps réel s'intègre dans les dispositifs de prévention des risques en alimentant en observations les centres d'alertes aux tsunamis et aux submersions marines. C'est à ce titre que le SHOM entretient un partenariat fort avec le CEA et Météo France.

 

 

Qui observe la marée ? 

 

  • le SHOM, par l'intermédiaire de son réseau d'observatoires permanents RONIM et occasionnels. Ces données sont disponibles à l'ensemble de la communauté scientifique ;
  • l'ensemble des services hydrographiques étrangers ;
  • Les Ports Autonomes( Dunkerque, Le Havre , Rouen, Nantes-Saint-Nazaire, Bordeaux...) ;
  • les services maritimes de la DDE ;
  • divers organismes privés ou publics (l'EDF, l'IFRTP, les compagnies pétrolières, les universités...).

 

A ce titre , le SHOM a été désigné, depuis 2010, comme référent national sur l'observation de la marée pour coordonner les différent producteurs de données de hauteurs d'eau. A ce titre, l'ensembles des produsteurs identifiés sont présentés sur le site refmar : http://refmar.shom.fr/fr/producteurs-de-donnees

 

Comment observe-t-on la marée ?


Par des observations ponctuelles.

Ces méthodes simples et peu coûteuses permettent à tous de mettre en évidence le phénomène de marée. Un peu de temps et de curiosité suffisent.

Par des observations enregistrées en continu.

Ces méthodes d'observation sont plus lourdes mais sont indispensables pour les organismes qui s'intéressent à l'observation de la marée.

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Les observations ponctuelles de la marée

    

L'échelle de marée


C'est une mire graduée en bois ou en plastique placée verticalement ; la graduation est formée de deux bandes de carreaux de dix centimètres de côté, alternativement rouges et noirs ; cette mire est disponible en tronçons.

Echelle de marée de Fécamp.

 Le niveau de l'eau est lu au centimètre près en interpolant à vue dans le carreau et en moyennant sur quelques secondes ( filtrage du clapot de période 2 à 5 s et de la houle de période 5 à 18 s) la hauteur observée.
 
 L'échelle de marée est facile à installer, pas chère et permet des lectures et des mesures directes de la marée mais l'observation à l'échelle de marée nécessite un opérateur pour la lecture. Il n'est donc pas possible d'avoir une lecture en continu. De plus cette lecture peut être imprécise, difficile voire impossible s'il y a un clapot trop important.
 
 La lecture à l'échelle de marée sert essentiellement au rattachement du zéro instrumental des marégraphes ainsi qu'au contrôle de leur bon fonctionnement. Attention, avant toute lecture, il convient toujours de confirmer la référence de l'échelle dont le zéro peut être légèrement différent du zéro hydrographique auquel cas il faut appliquer un offset de quelques centimètres, déterminé en nivellant la plus haute graduation au sommet del'échelle aux repères de marée alentours.
 
 On peut voir ces échelles dans les ports, placées verticalement le long d'un quai ou d'un échafaudage, ou selon leur plus grande pente pour les quais qui présentent du fruit : le fruit est l'angle entre la verticale et le quai sur lequel s'appuie l'échelle et duquel les mesures doivent être corrigées.

 Le décamètre ruban

 
 C'est un simple décamètre ruban lesté au bout duquel est quelquefois fixée une sonde. Ce ruban est enroulé sur un touret. On se place sur un repère situé au bord du quai et nivelé par rapport au zéro hydrographique. Le ruban est déroulé le long du quai. Lorsque la sonde est en contact avec l'eau, une ampoule s'allume sur le touret avec une alarme sonore. On lit alors la graduation sur le ruban. En soustrayant le tirant d'air lu sur le décamètre à la cote du repère par rapport au zéro hydrographique, on obtient une hauteur d'eau par rapport au zéro hydrographique.
 
 Le décamètre à sonde lumineuse sert essentiellement, comme l'échelle de marée, comme moyen de contrôle et de calage des marégraphes analogiques ou numériques placés sur la zone.

Exemples de sondes lumineuses.

 

L'observation de la marée en continu


Les marégraphes analogiques


Ce sont essentiellement des marégraphes à flotteur.
La méthode d'enregistrement la plus répandue est le graphique représentant la hauteur en fonction du temps, appelé marégramme.
Un flotteur placé dans un tube vertical ou dans un puits de tranquillisation en communication avec la mer, subit les variations du niveau de la mer dues à la marée. Les trous de communication avec l'extérieur sont assez étroits pour filtrer mécaniquement les effets de la houle et du clapot mais assez grands pour s'assurer que le niveau est le même à l'intérieur et à l'extérieur du puits.
Les variations de hauteur subies par le flotteur sont transmises via un système de câbles et de poulies, et transformées en déplacements verticaux du stylet les traçant sur un marégramme enroulé autour d'un tambour tournant entraîné par un système d'horlogerie (un tour en un jour ou un tour en une semaine) : voir le schéma de principe.
Le marégramme est donc rapporté à un axe horizontal des abscisses gradué en heures et un axe vertical des ordonnées gradué en mètres.
Cette technologie déjà ancienne est bien maîtrisée. Elle a été longtemps utilisée dans les missions comme le seul moyen qui permettait d'avoir une mesure de la marée qui puisse être observée en continu.

Le dernier marégraphe à flotteur du SHOM anciennement situé à Port-Tudy (Île de Groix) a été remplacé par un marégraphe radar en mars 2011.

 

Ancien marégraphe à flotteur de Port-Tudy.

 

Les marégraphes numériques

 

les marégraphes à capteur de pression


Les marégraphes de ce type sont des appareils immergés, en général placés au fond de l'eau dans une cage lestée. Le capteur de pression est constitué d'un quartz dont la fréquence propre, par effet piézo-électrique, varie en fonction de la pression qui s'exerce sur lui. La variation entre la fréquence nominale et la fréquence enregistrée correspond donc à une variation de pression. La pression subie par le capteur est la somme de la pression atmosphérique et de la pression due à la colonne d'eau au-dessus du capteur. La pression atmosphérique doit donc être observée en parallèle afin de la retranchée à la pression totale mesurée.

Ensuite, pour convertir la pression en hauteur d'eau, il faut connaître la masse volumique de la colonne d'eau. Cette valeur se calcule grâce aux mesures in situ de température et salinité de l'eau.

 (voir schéma).

Selon un procédé classique en électronique, la pression est mesurée en échantillonnant le signal de fréquence émis par le quartz, puis à la fin de la série de mesures appelée période d'intégration, la valeur moyenne est archivée dans la mémoire interne de l'appareil (voir schéma). Les séquences de mesures sont pilotées par une horloge interne.

Les marégraphes à capteur de pression permettent d'éviter des infrastructures trop importantes et de réaliser des mesures au large. Ils ont une large autonomie tant en capacité de mémoire qu'en autonomie électrique.

Il y a cependant toujours un risque de pertes de matériels dues au vol des marques de balisage en surface ou au chalutage de ces matériels immergés.

Marégraphe mouillé par plongeurs.
Mise à l'eau d'un marégraphe par grands fonds.

 

Les Marégraphes Côtiers Numériques (MCN)


Les MCN sont des marégraphes à capteur radar installés dans certains observatoires permanents. Depuis 1992, le SHOM a décidé de placer sur les côtes françaises un réseau de marégraphes permanents appelé RONIM. Depuis 2009, les données acquises sont retransmises en temps réel au SHOM via Internet ou balise satellite (Meteosat9).

Le MCN est équipé d'un télémètre radar placé au-dessus de la surface de l'eau. Le temps écoulé entre l'émission et la réception du signal réfléchit par la surface de l'eau est traduit en hauteur d'eau ; la variation de cette hauteur d'eau est liée directement à la marée (Schéma de l'observatoire de Brest-Penfeld). Le transducteur est placé dans un puits de tranquillisation permettant de filtrer la houle et le clapot extérieurs. Pour autant, le filtrage numérique du signal permet aujourd'hui l'installation de capteur à l'air libre monté sur potence dont l'installation est plus aisée et moins coûteuse.

Le MCN enregistre une mesure périodiquement . Cette mesure est une moyenne effectuée sur une série continue de mesures réalisées durant une période fixée par l'opérateur, appelée période d'intégration.

Afin de filtrer les phénomènes de houle (période moyenne 5 à 8 s) et le clapot (période 2 à 5s), les mesures enregistrées sont intégrées sur une période de temps en général de 2 minutes avec une cadence de mesure de 10 minutes.

Marégraphes RONIM - Gauche: Le Conquet (29) - Droite: sur potence à Solenzara (Corse)
Schéma de transmission RONIM des mesures de hauteurs d'eau.

 

Les observations à l'aide de récepteurs GPS


L'observation de la marée comme application possible du GPS est en cours d'étude au SHOM, notamment dans le cadre du projet Bathyelli ou d'étude avec le GRGS.

Deux récepteurs GPS sont nécessaires. Le premier est placé en un lieu connu et sert de point de référence, le deuxième est placé sur une bouée ou sur un navire. La marée est alors obtenue par traitement en mode cinématique des données GPS. La précision obtenue sur la composante d'altitude est normalement suffisante pour pouvoir reconstituer le signal de marée.

 

Bouée GPS en étude au SHOM.